DE102004051247B3

DE102004051247B3 - Schnelle Messung hoher Gangunterschiede von doppelbrechenden Medien ohne und mit Falschfarben durch simultane Kombination des Mehrfarben-Senarmont-Verfahrens mit der diskreten Fourier-Analyse

Info

Publication number: DE102004051247B3
Application number: DE200410051247
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr. Kaufmann; Hannes Schache; Uwe Detlef Dr. Zeitner
Original assignee: Thueringisches Institut fuer Textil und Kunststoff Forschung eV
Current assignee: Thueringisches Institut fuer Textil und Kunststoff Forschung eV
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-10-21
Also published as: WO2006042524A1

Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung können zur automatischen berührungslosen und schnellen Messung hoher Gangunterschiede doppelbrechender Proben ohne Mehrdeutigkeit der Ergebnisse herangezogen werden, wobei selbst beim Vorliegen von Falschfarben die Sicherheit (Genauigkeit und Eindeutigkeit) und die Schnelligkeit (kurzperiodisch) des Verfahrens in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Probe geregelt werden können. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass neben der eigentlichen konstanten Messwellenlänge lambda¶1¶ eine variable Hilfswellenlänge lambda¶2¶ eingeführt wird. Die letztgenannte Hilfswellenlänge lambda¶2¶ wird solange der Messwellenlänge lambda¶1¶ angeglichen, bis für beide Wellenlängen gleichzeitig und wiederholt die gleiche Ordnung vorliegt (gleiches N + 1). Dadurch kann in einem Fall für bestimmte Proben der Abstand der beiden Wellenlängen größer als 10 nm eingestellt und die Sicherheit (Genauigkeit und Eindeutigkeit) und Schnelligkeit des Verfahrens können erhöht werden. Im anderen Fall kann bei sehr lichtstarken Proben mit ausgesprochen diffizilen Falschfarben der Abstand der beiden Wellenlängen sogar kleiner als 10 nm gemacht werden, sodass die Gangunterschiede eindeutig erfasst werden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen, automatischen, berührungslosen, kalibrierfreundlichen und lichtstarken Messung hoher Gangunterschiede R von doppelbrechenden und durchsichtigen optischen Medien oder Proben nach Senarmont mit simultaner oder zeitlich sukzessiver digitaler Fourier-Analyse mit mehreren Wellenlängen, insbesondere von Fasern, Filamenten, Folien und anderen Flächengebilden, sowohl im Labor, am Mikroskop als auch online während des Herstellungsprozesses mit schnellen oder langsamen Veränderungen (ms- oder Sekundenbereich).
Nach dem Verfahren und der Vorrichtung können alle durchsichtigen Fasern, Filamente, Folien und Flächengebilde im noch schmelzeflüssigen Zustand bei der Herstellung oder im festen und ruhenden Zustand untersucht werden. Diese Proben können auch dann noch gemessen werden, wenn sie im weißen Licht Falschfarben zeigen.
Die Messung des Gangunterschiedes R der genannten Proben ist deshalb wichtig, weil sich daraus mit Hilfe der Dicke D dieser Proben die Doppelbrechung Δn = R/D (1) ergibt, die in vielen Fällen die Orientierung der Makromoleküle in den Fasern und Folien charakterisiert. Diese Orientierung bestimmt technisch und technologisch wichtige Größen, wie die Reißspannung, die Reißdehnung und den E-Modul der genannten Proben. Ist Δn_max die maximal mögliche Doppelbrechung, dann läßt sich ein mittlerer Orientierungswinkel α angeben, der bei Fasern den Winkel zwischen der Zylinderachse und der mittleren Längsrichtung der Makromoleküle wie folgt bedeutet:
Die Doppelbrechung Δn ist dabei im Falle der Fasern immer die Differenz der Brechungsindizes parallel und senkrecht zur Faserlängsachse, d.h. Δn = n|| – n⫠. (3)
Für den Gangunterschied R gilt dies analog. Im Falle von optisch einachsigen Fasern mit dem Durchmesser D ist der Gangunterschied R die Differenz der optischen Lichtwege n_||·D und n_⫠·D, d.h. R = (n|| – n⫠)·D. (4)
Im ersten Fall (n_||·D) schwingt der elektrische Vektor des Lichtes senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, aber parallel zur Zylinderachse der Faser. Im zweiten Fall schwingt er senkrecht dazu.
Ist der Gangunterschied R kleiner als die verwendete Vakuum-Lichtwellenlänge λ, dann nennt man dieses Gebiet das Gebiet der 1. Ordnung (N+1 = 1, also N = 0). Liegt der Gangunter schied zwischen den Wellenlängen λ und 2λ, dann ist dies das Gebiet der 2. Ordnung (N+1 = 2, also N = 1) usw. Man spricht ganz allgemein von der optischen Ordnung (N+1).

Zur automatischen und berührungslosen Bestimmung des Gangunterschiedes im Gebiet bis zu einer Lichtwellenlänge λ wird vielfach die Senarmont-Methode eingesetzt ( CH 342768 A , DE-AS 1097167, DE 4123936 A1 , DE 4235065 A1 und DE 19529899 A1 ), die mit monochromatischem Licht arbeitet.

Bei Gangunterschieden von größer als einer Lichtwellenlänge λ wird die Soleil-Babinet-Methode angewendet ( DE 4123935 A1 und DE 4235065 A1 ), die mit weißem Licht arbeitet. Es gibt Polymere und andere Stoffe, die eine anormale Farbfolge der Interferenzstreifen zeigen. Der Kompensationsstreifen 0. Ordnung ist dann nicht mehr neutralschwarz. In vielen Fällen ist es dann so, daß zwischen zwei benachbarten Streifen nicht entschieden werden kann, welcher Streifen der Kompensationsstreifen ist. Oftmals ist es dann keiner von beiden und eine exakte Angabe der Doppelbrechung bleibt aus. Eine Möglichkeit zur Behebung dieser Schwierigkeit besteht in der Anfertigung eines Schrägschnittes und dem Auszählen der Ordnungen im monochromatischen Licht. Ein solches Verfahren ist natürlich nicht mehr mit einem automatischen und vor allen Dingen berührungslos sowie schnell messenden Verfahren identisch.

Weitere Patente ( US 5 929 993 , EP 225 590 , GB 808 505 , US 6 697 161 , DE 19 953 528 , EP 597 390 ), die zum Teil auch für bewegte Medien entsprechende Lösungen anbieten, sind nicht geeignet, Medien mit Falschfarben zu messen oder zu regeln, weil sie nur bei einer Wellenlänge arbeiten.

Nach DE 3 129 505 ist der Messbereich sogar auf eine halbe Wellenlänge beschränkt.

Patente mit mehreren Wellenlängen gehen nicht auf die Konvergenz der verschiedenen Ordnungen bei verschiedenen Wellenlängen ein ( US 4 973 163 ). Erst durch die Konstanz der optischen Ordnung in sehr kleinen Wellenlängenbereichen, die zum Teil bis 10 nm und kleiner betragen können, wie dies weiter unten gezeigt wird, können Falschfarben erfasst werden.

In US 5 406 371 ist zwar die Möglichkeit der Variation der Wellenlängen vorhanden, sie ist aber nicht gleichzeitig für die im vorliegenden Patent als Mess- und Hilfswellenlänge bezeichnete Größen realisierbar.

Einen Ausweg bei der Bestimmung des Gangunterschiedes beim Vorliegen von Falschfarben bietet hier die Senarmont-Methode, allerdings angewendet mit zwei Wellenlängen.

Für Gangunterschiede R > λ wird das Minimum der Differenz der Gangunterschiede der beiden Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen bestimmt ( DE 4306050 A1 ). Der Nachteil dieser Methode ist jedoch, daß sie wegen der zeitlich aufwendigen Bestimmung des Minimums nicht schnell genug ist, d.h. es sind keine hohen Abtastfrequenzen möglich. Außerdem ist die Genauigkeit wegen des flachen Maximums eingeschränkt.

Hohe Abtastfrequenzen sind aber notwendig, um beim Herstellungsprozeß die schnelle Verlagerung von besonderen Erscheinungen, z.B. die Schulter (neck point) beim Schnellspinnen oder beim Verstreckprozeß zu erfassen.

Außerdem werden hohe Abtastfrequenzen in der Qualitätsprüfung verlangt, wenn z.B. ein Monofilament von der Spule abgewickelt wird und die Orientierung längs des Fadens bei hoher Abzugsgeschwindigkeit ermittelt werden soll.

Eine elegante Methode zur Lösung dieser Probleme ist die Anwendung des Senarmont-Verfahrens mit mindestens zwei Wellenlängen in sehr vielen Winkellagen des Analysators ( DE 198 19 670 A1 ).

Wird dieses letztgenannte Verfahren zur Messung des Gangunterschiedes von glänzenden und beispielsweise 15 μm dicken Fasern mit geringster Lichtstreuung eingesetzt, dann ist die gleichzeitige (simultane) Messung der Lichtintensitäten bei mindestens zwei Wellenlängen in sehr vielen Winkellagen (z.B. 10) des Analysators sehr schwierig, weil sich das gestreute Licht ebenso auf sehr viele Empfänger verteilt. Dieses beschriebene Verfahren ist also zu lichtschwach und damit letztlich zu ungenau.

Das patentierte Verfahren und die Vorrichtung ( DE 103 10 837 A1 ) zur automatischen Messung der Spannungsdoppelbrechung an transparenten Körpern ist für die Bestimmung von optischen Gangunterschieden R > λ ungeeignet, da bei nur einer Messwellenlänge gemessen wird. Ausserdem wird hierbei der Analysator mechanisch verdreht.

Eine beschriebene achromatische Senarmont-Kompensationseinreichtung ( DE 40 32 212 A1 ) dient der Messung von optischen Gangunterschieden optisch anisotroper Objekte in einem ausgedehnten Spektralbereich mit wesentlich reduziertem systematischen Messfehler. Hierbei kann bei unterschiedlichen Mess-Lichtwellenlängen mittels eines verdrehbaren Analysators gemessen werden, es wird jedoch keine Möglichkeit der Bestimmung von optischen Gangunterschieden R > λ beschrieben.

Ein neueres Patent ( DE 102 45 407 ) beschreibt ein Verfahren, indem die Senarmont-Methode simultan oder zeitlich sukzessiv mit der diskreten Fourier-Analyse (DFA) mit vorzugsweise drei Winkellagen und mindestens zwei Mess-Wellenlängen durchgeführt wird. Beim Senarmont-Verfahren mit simultaner DFA werden zur Abtastung des vom zu messenden Objekt kommenden Signals vorzugsweise drei Winkellagen gleichzeitig realisiert und mindestens drei Lichtleitkabel mit vorgeschalteter λ/4-Platte und drei Polarisatoren benötigt. Beim Senarmont-Verfahren mit zeitlich sukzessiver DFA werden nur ein Licht leitkabel, ein Photoempfänger und ein elektrischer Verstärker benötigt. Damit erhöht sich die Lichtstärke gegenüber dem oben genannten Senarmont-Verfahren mit sehr vielen Winkellagen des Analysators. Bei der Kalibrierung brauchen nur die Linearität, die Null- und die Maximal-Intensitäten beachtet zu werden. Die erstgenannte Variante (simultane DFA) ist schneller als die zweitgenannte Variante (zeitlich sukzessive DFA). Im letztgenannten Fall ist dagegen der materielle Aufwand geringer, die Lichtstärke höher und die Anforderungen an die Kalibrierung sind besonders minimal.

Zur Durchführung des Prüfverfahrens wird eine Vorrichtung eingesetzt, bei der sich die doppelbrechende Probe in Lichtrichtung gesehen zwischen einem Polarisator und einem λ/4-Plättchen befindet. Polarisator, Probe und λ/4-Plättchen werden von einer weißen Lichtquelle mit Monochromat-Filter oder einem Laser bestrahlt.

Beim Senarmont-Verfahren mit simultaner DFA wird die zur Verfügung stehende Lichtintensität vorzugsweise in drei Kanäle mit drei Polarisatoren in drei Winkellagen (z.B. 0°, 60° und 120°) aufgeteilt und danach mit einer CCD-Zeile, CCD-Kamera, Dioden oder mit SEV's (Multiplier) gemessen, in elektrische Signale umgewandelt und ausgewertet.

Beim Senarmont-Verfahren mit zeitlich sukzessiver DFA wird mittels impulsgesteuertem und schnell drehendem Miniatur-Servo-Antrieb der Analysator in vorzugsweise drei verschiedene Winkellagen gedreht und die sich ergebenden Intensitäten mit oder ohne Lichtleitkabel und Photoempfänger gemessen und aus den Ergebnissen sowohl der Senarmont-Winkel als auch der Gangunterschied berechnet. Die Zuordnung von Winkellage und Lichtintensität erfolgt über den zu jeder Winkellage gehörenden charakteristischem Impuls.

Der Nachteil der Erfindung ist die zu geringe-spektrale Variabilität des Verfahrens beim konkreten Objekt (bei Fasern, Filamenten, Folien und anderen doppelbrechenden Flächengebilden). Das wird wie folgt speziell erläutert Bei Folien ohne Falschfarben könnte der Abstand der beiden Wellenlängen des Zwei-Wellenlängen-Senarmont-Verfahrens durchaus auch wieder größer als 10 nm betragen, womit die Sicherheit (Genauigkeit und Eindeutigkeit) und Schnelligkeit des Verfahrens mehrfach gesteigert würde. Durch die starre Vorgabe des Wellenlängenabstandes von 10 nm ist dies aber nicht gegeben. Hier wäre es günstig, wenn der Wellenlängenabstand variabel ist.

Dasselbe Problem tritt bei Filamenten ohne Falschfarben mit kleinstem Durchmesser auf, bei denen eine genaue Messung bei dem vorgegebenen Wellenlängenabstand von 10 nm auch nicht möglich ist, weil sich bei dem geringen Wellenlängenabstand die Messsignale zum Teil gegenseitig überlagern und das Rauschen zunimmt.

Umgekehrt kann bei sehr lichtstarken Objekten mit ausgesprochen starken Falschfarben der Wellenlängenabstand von 10 nm wiederum zu groß sein. Dann werden z.B. die Falschfarben erst bei einem Wellenlängenabstand von 5 nm eindeutig identifiziert. Nur dann sind die Ergebnisse eindeutig. Bei dem festen Abstand von 10 nm wäre die Messung falsch.

[Aufgabe der Erfindung]

Aufgabe der Erfindung ist die Weiterentwicklung des Senarmont-Verfahrens für die automatische, berührungslose und schnelle Messung hoher Gangunterschiede R von doppelbrechenden und durchsichtigen Proben oder Objekten im online-Betrieb, insbesondere von Fasern, Filamenten, Folien und Flächengebilden, die im weißen Licht auch Falschfarben zeigen können, bei dem die spektrale Variabilität gewährleistet ist. Das bedeutet, dass der Wellenlängenabstand nicht konstant, sondern variabel gestaltet werden kann. Die Integrationszeiten sollen im ms- oder im Sekundenbereich liegen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass neben der eigentlichen konstanten Messwellenlänge λ₁ eine variable Hilfswellenlänge λ₂ eingeführt wird. Die letztgenannte Hilfswellenlänge λ₂ wird solange der Messwellenlänge λ₁ angeglichen, bis für beide Wellenlängen gleichzeitig die gleiche Ordnung vorliegt (gleiches N+1). Dadurch kann in einem Fall für bestimmte Proben der Abstand der beiden Wellenlängen größer als 10 nm betragen und die Sicherheit (Genauigkeit und Eindeutigkeit) und Schnelligkeit des Verfahrens erhöhen sich. Im anderen Fall kann bei sehr lichtstarken Proben mit ausgesprochen diffizilen Falschfarben der Abstand der beiden Wellenlängen sogar kleiner als 10 nm gemacht werden, sodass die Falschfarben richtig erfasst werden können.

Das Verfahren und die Vorrichtung können zur automatischen, berührungslosen und schnellen Messung des Gangunterschiedes doppelbrechender Proben ohne Mehrdeutigkeit der Ergebnisse herangezogen werden, wobei die Sicherheit (Genauigkeit und Eindeutigkeit) und die Schnelligkeit (kurzperiodisch) des Verfahrens in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Probe geregelt werden können. Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich zur Messung im Laborbetrieb, für schnelle (simultane Messung) und langsam veränderliche Vorgänge (zeitlich sukzessive Messung) mit einer Integrationszeit im ms- und im Sekundenbereich und zur Verfolgung der Änderung des Gangunterschiedes von mikroskopisch kleinen Proben mit Falschfarben.

1. Schema des Verfahrens

(DMSV = Diskretes Mehrfarben-Senarmont-Verfahren = Simultane oder sukzessive Kopplung des Mehrfarben-Senarmont-Verfahrens [MSV] mit der diskreten Fourier-Analyse [DFA))

In 1 ist das Schema des Verfahrens dargestellt, wonach die monochromatische Strahlung der beiden Lichtquellen (1) und (2) mit den beiden Wellenlängen λ₁ und λ₂ über den Teilerwürfel (4) gemeinsam auf den Polarisator (5) trifft. Die Lichtquelle (1) charakterisiert die Mess-Wellenlänge λ₁. Die Lichtquelle (2) charakterisiert die Hilfswellenlänge λ₂. Das Wesentliche des Verfahrens kommt darin zum Ausdruck, dass die Strahlung der Hilfswellenlänge λ₂ auf dem weg bis zum Teiler würfel (4) eine Vorrichtung durchläuft, die die Hilfswellenlänge je nach Erfordernis variieren kann. Für falschfarbenfreie Proben kann der Abstand zur Mess-Wellenlänge im Sinne der Erhöhung von Sicherheit (Genauigkeit und Eindeutigkeit) und Schnelligkeit der Messung vergrößert werden. Für lichtstarke Proben mit Falschfarben kann der Abstand der Hilfswellenlänge zur Mess-Wellenlänge bis unter 10 nm verringert werden, sodass die Eindeutigkeit der Messung gewährleistet wird.
Über den Polarisator (5) wird die zu messende doppelbrechende Probe (6) beleuchtet und dem λ/4-Plättchen (7) zugeführt. Diese wandelt das von der zu messenden Probe erzeugte elliptisch polarisierte Licht in linear polarisiertes Licht um. Der anschließende Diffusor (8) dient zur Homogenisierung des Lichtbündels über den gesamtem Bündelquerschnitt. Das ist deshalb wichtig, weil der darauf folgende Analysator (9) für drei Polarisationsrichtungen ausgerüstet ist, bei denen die auffallenden Lichtintensitäten gleich sein müssen (Polarisationsfilter-Array oder Analysator-Array).
Die Stellung der Polarisationsrichtungen geht aus 2 hervor, wo speziell auf die Polarisationsrichtungen des Polarisators (5), der Probe (6), gemeint ist n_γ, des λ/4-Plättchens (7) und des Analysators (9) dargestellt sind (In 2 bedeutet die Stellung des Analysators (9) die Grundstellung).
Die speziellen drei Polarisationsrichtungen (einschließlich der Grundstellung) des Analysators (9) gehen aus 3 hervor, wo zusätzlich die Polarisationsstellungen des Polarisators (5), des λ/4-Plättchens (7) und die Grundstellung des Analysators (9) angegeben sind (I₁). Im „Kasten„ von 3 sind noch die anderen zwei Analysatorenstellungen (I₂ und I₃) zu erkennen.
Verfahrensmäßig werden die nunmehr sechs vorhandenen Strahlungen mit den Intensitäten I₁, I₂ und I₃ für die Mess-Wellen länge λ1 und die Hilfswellenlänge λ2 über einen Teilerwürfel (10) ohne Änderung des Polarisationszustandes zu den Photoempfängern und Verstärkern (12) geleitet. Vor den Photoempfängern (12) passiert die Mess-Strahlung den Filter (11), der auf die Wellenlänge λ₁ der Mess-Strahlung abgestimmt ist. Die Strahlung mit der Hilfs-Wellenlänge passiert dagegen die Vorrichtung zur Wellenlängenänderung (3), die mit der ersten Einrichtung (3) gekoppelt ist. Beide Einrichtungen sind auf die gleiche Wellenlänge abgestimmt (Hilfs-Wellenlänge λ₂). Im Computer (12) werden für die entsprechenden Wellenlängen die jeweiligen Senarmontwinkel, die Ordnung und die Gangunterschiede berechnet.
Mit der Vorrichtung zur Wellenlängenänderung (3) wird die Hilfs-Wellenlänge λ₂ solange verändert wird, bis für beide Wellenlängen (λ₁ und λ₂) die gleichen Ordnungen vorliegen. Dann liegen beide Wellenlängen im falschfarbenfreien Bereich.
Die ausgerechneten Gangunterschiede sind richtig berechnet. Solange die Ordnung gleich bleibt, kann nun die Hilfs-Wellenlänge nach Belieben geändert werden. Sie kann vergrößert und verkleinert werden. Im ersten Fall zugunsten der Sicherheit und Schnelligkeit der Verfahrens, im zweiten Falle zur Verbesserung der Eindeutigkeit der Mess-Ergebnisse.
An den Analysator (9) schließen sich Ferrulen mit jeweils drei Lichtleitkabeln an, die auf insgesamt sechs Photoempfänger (12) treffen (für jeweils eine Wellenlänge gibt es nach dem Analysator (9) drei Polarisationsrichtungen).
2. Verfahren für ein 2-1/4-λ-Plättchen (ohne Falschfarben)
In Tabelle 1 sind die sich im Experiment zu den verschiedenen Wellenlängen und Winkellagen des Analysators ergebenden Intensitäten I₁ bis I₃, die simultan ermittelt worden sind (Vorrichtung nach 1 – 5), und die berechneten Gangunterschiede zusammengestellt. Tabelle 1 : Zusammenstellung der Messwerte und Ergebnisse, die sich für das 2-1/4-λ-Plättchen (ohne Falschfarben) für die verschiedenen Mess- und Hilfs-Wellenlängen und die entsprechenden Winkellagen (0°, 60° und 120°) ergeben

Erläuterungen zu Tabelle 1 : λ = Wellenlänge; I₁, I₂ und I₃ = Lichtintensitäten mit verschiedenen linearen Polarisationsrichtungen; ε = Senarmontwinkel; R = Gangunterschied; (N+1) = Optische Ordnung.

Für das Beispiel in den ersten beiden Zeilen beträgt der Abstand zwischen der Mess- und der Hilfswellenlänge 40 nm (550 und 590 nm). Im zweiten Beispiel liegt der Abstand bei 20 nm (550 und 570 nm) und im letzten Beispiel bei 10 nm (550 und 560 nm).
Die Messung erfolgt hier vorzugsweise bei 40 nm, weil dadurch die Sicherheit (Genauigkeit und Eindeutigkeit) und die Schnelligkeit des Verfahrens erhöht werden können, wie dies weiter oben begründet wurde.
Die einzelnen Berechnungen werden zur Verdeutlichung nachfolgend für die Wellenlängen 550 und 590 nm (Tabelle 1, Zeilen 1 und 2) dargestellt:
Für die Wellenlänge λ₁ = 550 nm (Zeile 1) ergibt sich aus den Gleichungen für das Senarmont-Verfahren mit diskreter Fourier-Analyse (DFA) der Senarmontwinkel ε über ε° = 28,648° arctg b/a + 45° (1 + a/|a|),a = I₁ – 0,5 (I₂ + I₃) und
b = 0,866 (I₂ – I₃) sowie
mit den Zahlenwerten der Tabelle 1 (Zeile 1)
a1 = –99 und
b1 = –386,236
zu
ε1° = 37,81° ≈ 37,8°.
Für die Wellenlänge λ₂ = 590 nm (Zeile 2) ergibt sich (analog zu den Berechnungen für die Wellenlänge 550 nm)
a2 = –410
b2 = –150,684 und
ε2° = 10,09° ≈ 10,1°.
Die ganzzahlige optische Ordnung (um 1 vermindert) ergibt sich zu N = (1/180°)·(ε1°·λ1 – ε2°·λ2)/(λ2 – λ1) = (1/180°)·(37,8·550 – 10,1·590)/(590 – 550) = 2und damit folgt der Gangunterschied für die Messwellenlänge von 550 nm zu R1 = (ε1/180 + N)·λ1 = (37, 8/180 + 2)·550 = 1215,5 nmund für die Hilfswellenlänge von 590 nm zu R2 = (ε2/180)·λ2 = (10,1/180 + 2)·590 = 1213,1 nm.
Genau diese beiden Zahlenwerte stehen in der Tabelle 1 in der letzten Spalte für den Gangunterschied in nm.
Weil keine Falschfarben vorliegen, resultieren für die anderen Kombinationen (Wellenlängenabstand von 20 und 10 nm) in den Zeilen 3 bis 6 ähnliche Werte für den Gangunterschied. Das bedeutet, es ergibt wiederholt die gleiche optische Ordnung (N+1) und damit sind die berechneten Gangunterschiede eindeutig.
Hier liegt also eine unproblematische Messung vor. Der Vorteil : Es kann mit dem größten Wellenlängenunterschied zwischen Mess- und Hilfs-Wellenlänge gearbeitet werden (Von den angegebenen Varianten bedeutet das hier die Wahl von 550 und 590 nm). Dadurch werden die Sicherheit (Genauigkeit und Eindeutigkeit) und die Schnelligkeit der Messung erhöht ! Die mögliche Variation der Hilfswellenlänge ist in diesem Sinne äußerst vorteilhaft !
3. Verfahren für eine Falschfarben-Folie
Ganz anders sehen die Verhältnisse aus, wenn die zwischen den gekreuzten Polarisatoren (Polarisator und Analysator) angeordnete Folie Falschfarben zeigt, wie dies in Tabelle 2 zum Ausdruck kommt.
Tabelle 2 : Zusammenstellung der Messwerte und Ergebnisse, die sich für ein Plättchen mit Falschfarben für die verschiedenen Wellenlängen und Winkellagen (0°, 60° und 120°) ergeben (Messwellenlänge λ₁ und Hilfswellenlänge λ₂ gehören immer zusammen)
Erläuterungen : Siehe Tabelle 1
Bei einem Abstand von 40 nm zwischen Mess- und Hilfs-Wellenlänge (550 und 590 nm) ergeben sich noch keine sinnvollen Messwerte (Negative Gangunterschiede gibt es im Normalfall nicht). Erst ab 20 nm (550 und 570 nm) liegt wiederholt die gleiche optische Ordnung vor. Damit kann der Gangunterschied eindeutig berechnet werden und kann zur Auswertung für den Forscher oder den Qualitätsingenieur herangezogen werden. Mit dem normalen Polarisationsmikroskop (Typ : Laboval von Zeiss, Messung im weißen Licht, Berechnung für 550 nm) wurde an der gleichen Probe ein Gangunterschied von 6769 nm gemes sen. Der Kompensationsstreifen mit der richtigen optischen Ordnung wurde im weißen Licht auf Grund des Vorliegens der Falschfarben nicht erkannt.
3. Vorrichtung zur Durchführung der Änderung der Hilfs-Wellenlänge für das Mehrfarben-Senarmont-Verfahren mit simultaner DFA (DMSV)
Die Änderung der Hilfswellenlänge kann mit jeder wellenlängendispersen Vorrichtung durchgeführt werden, z. B. mit einem Prismen-Spektrometer, einem optischen Gitter oder auch einem Metallinterferenzfilter. In 4 ist dies für einen Metallinterferenzfilter (21) dargestellt, dessen Flächennormale in der optischen Achse (20) liegt. Mit der Drehung des Schrittmotors dreht sich der Metallinterferenzfilter bis zur geänderten Hilfs-Wellenlänge, bei der eine Neubestimmung der optischen Ordnung (N+1) vorgenommen wird. Die Änderung der Stellung des Metallinterferenzfilters erfolgt solange, bis sich für die Mess- und die Hilfs-Wellenlänge wiederholt keine Änderung der optischen Ordnung (N+1) mehr ergibt. Dann erst folgen eindeutige und damit verwertbare Messergebnisse (siehe Beispiel 1 oder 2).
Auf Grund der mechanischen Drehung des Schrittmotors ist die Zeit zur Bestimmung der optischen Ordnung größer als 1s. Liegt die optische Ordnung nach Variation der Hilfs-Wellenlänge fest, dann können mit dem o.g. Verfahren (siehe Beispiel 2 oder 3) sehr kurzperiodische Messungen im ms-Bereich durchgeführt werden.
4. Vorrichtung für das Diskrete Mehrfarben-Senarmont-Verfahren (DMSV) bei bekannter optischer Ordnung (N+1)
Bei bekannter optischer Ordnung (N+1) kann der Detektionskanal sehr unkompliziert aufgebaut werden, d.h. der auf die zu messende Probe folgende Mess-Kanal kann für Messungen unter Produktionsbedingungen sehr klein gehalten werden (In 1 die Positionen 7 bis 12). In einfachsten Falle kann die optische Ordnung (N+1) eingegeben werden und man hat nur noch drei Intensitäten bei der eingestellten Mess-Wellenlänge auszuwerten. In 5 liegt das λ/4-Plättchen (7) hinter einer Linse (13a), die mit den anderen Linsen (13b) und (13c) und der Spaltblende (14) einen Raumfilter darstellt, damit Falschlicht (Z.B. Raumlicht) ausgeschlossen werden kann. Der für die Homogenisierung verantwortliche Diffusor ist in 5 wegen der Übersichtlichkeit weggelassen worden. Nach dem λ/4-Plättchen (7) ist das Polarisationsfilter-Array (9) angeordnet, das mit den Linsen (13a) und (13b) auf den CCD-Chip (16) abgebildet wird, die alle auf dem Gewinde (15) zusammengestellt sind. Zur Auswertung der Mess-Signale der drei Intensitäten I₁, I₂ und I₃ ist der CCD-Chip (16) mit dem Computer und der Auswerteeinheit verbunden.
Die Art der Auswertung wurde in den Beispielen 2 und 3 beschrieben.
Eine weitere zu 5 vereinfachte Variante der Vorrichtung bei bekannter optischer Ordnung (N+1) ist in 6 angegeben, wo die Spaltblende zur Erreichung höherer Intensitäten für schwach durchlässige Medien im Gegensatz zu 5 entfernt wurde. Die Linse (13a) wurde hinter das λ/4-Plättchen (7) angeordnet, worauf das Polarisationsgitter-Array (9) folgt. Die Linsen (13a) und (13b) bilden das Array (9) auf den CCD-Chip (16) ab.
5. Vorrichtung für das Diskrete Mehrfarben-Senarmont-Verfahren (DMSV) bei bekannter optischer Ordnung (N+1) für Fäden und andere Filamente
Bei bekannter optischer Ordnung (N+1) kann die in Pkt. 4 beschriebene Anordnung auch für Fäden und Filamente modifiziert werden. Dabei muss beachtet werden, dass nicht wie bei Folien ein direkter und gerader Strahlengang benutzt werden kann. Zur Vermeidung von Fremdlicht muss der Strahlengang abgewinkelt werden. Wegen der im Spinnschacht vorhandenen Bedingungen muss die gesamte Anordnung in einer möglichst dünnen Messplatte (6 – 8 mm) untergebracht werden, die in 7 grau dargestellt ist. Dabei unterscheiden wir einen Beleuchtungsstrahlengang ((17) bis (18)) und einen Messstrahlengang ((13) bis (19)). Dazwischen befindet sich der nicht eingezeichnete und zu messende Faden.
Von einer sich außerhalb befindenden Grundplatte mit der monochromatischen Lichtquelle wird die polarisierte Strahlung (Stellung der Polarisationsrichtung siehe 2) mit einer Single-Mode-Beleuchtungsfaser (17) in die Messplatte eingeführt und mit den Zylinderlinsen (18) auf geweitet. Dieses linear polarisierte Licht wirkt auf den Faden, der seinerseits auf Grund seiner anisotropen Eigenschaften elliptisches Licht aussendet, das über eine Linse (13) auf das λ/4-Plättchen (7) geleitet und dort wieder linear polarisiert wird, aber mit anderer Polarisationsrichtung. Der Diffusor (8) und das Multimode-Faserarray (19) dienen der gleichmäßigen Erfassung der drei Lichtintensitäten mit verschiedener Polarisationsrichtung. Mit entsprechend empfindlichen Dioden werden die Lichtsignale über Ferrulen zu den Photoempfängern mit der computermäßigen Auswertung geleitet.

1: Weiße Lichtquelle mit Filter, Leuchtdiode oder Laserdiode
: für die Wellenlänge λ₁
2: Weiße Lichtquelle mit Filter oder Leuchtdiode für die
: Wellenlänge λ₂
3: Vorrichtung zur Wellenlängenänderung
4: Teilerwürfel (Ohne Änderung des Polarisationszustandes der
: Strahlung)
5: Polarisator
6: Probe (Folie oder andere doppelbrechende Probe)
7: λ/4-Plättchen
8: Diffusor
9: Analysator mit gleichzeitig drei Winkelstellungen
: (Polarisationsfilter-Array oder Analysator-Array)
10: Teilerwürfel (Ohne Änderung des Polarisationszustandes
: der Strahlung)
11: Wellenlängenfilter für die Mess-Wellenlänge λ₁
12: Photoempfänger für jeweils 3 Polarisationsstellungen und
: Computer
13: Optische Linsen (13a bis 13c)
14: Spaltblende
15: C-Mount
16: CCD-Chip
17: Single-Mode-Beleuchtungsfaser
18: Zylinderlinsen als Aufweitungsoptik
19: Multimode-Faserarray
20: Optische Achse
21: Metallinterferenzfilter, dessen Flächennormale in Rich
: tung der optischen Achse liegt
22: Schrittmotor, dessen Antriebsachse einmal senkrecht zur
: optischen Achse steht und zum anderen gleichzeitig die An
: triebsachse des Metallinterferenzfilters darstellt, mit
: dem er starr verbunden ist
23: Drehrichtung des Metallinterferenzfilters

[Anhängende Zeichnungen]

Anzahl Anhängende Zeichnungen: [7] auf 4 Seiten

Claims

Verfahren zur automatischen, berührungslosen und schnellen Messung hoher Gangunterschiede von durchsichtigen und optisch doppelbrechenden Medien nach Senarmont im online-Betrieb mit simultaner diskreter Fourier-Analyse (DFA), insbesondere von Fasern, Filamenten, Folien und Flächengebilden, die im weißen Licht auch Falschfarben zeigen können, gekennzeichnet dadurch, dass neben der eigentlich konstanten Messwellenlänge λ₁ eine variable Hilfswellenlänge λ₂ benutzt wird, die solange verändert und dabei der Messwellenlänge λ₁ angeglichen wird, bis für beide Wellenlängen gleichzeitig und wiederholt die gleiche optische Ordnung vorliegt (gleiches N+1) und dass dadurch das „Diskrete Mehrfarben-Senarmont-Mess-Verfahren (DMSV)" durchgeführt werden kann, indem gleichzeitig bei der Messwellenlänge λ₁ und bei der Hilfswellenlänge λ₂ der hinter dem Polarisator, Probe, λ/4-Platte und Diffusor angeordnete Analysator mit n Winkelstellungen und den entsprechenden Photoempfängern die n Licht-Intensitäten photoelektrisch abtastet und nach Verstärkung auf Grund der Beziehungen der diskreten Fourier-Analyse mit gespeicherten Lichtintensitäten die Senarmontwinkel ε_λ1 und ε_λ2 und die entsprechenden Gangunterschiede R_λ1 und R_λ2 berechnet, bei wiederholt gleicher optischer Ordnung die Richtigkeit der Messergebnisse akzeptiert und abschließt, während im umgekehrten Fall die Hilfswellenlänge λ₂ der Messwellenlänge λ₁ weiter angenähert und dieser Vorgang solange wiederholt wird, bis für beide Wellenlängen wiederholt die gleiche optische Ordnung vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass nur n = 3 Winkellagen für den Analysator von 0°, 60° und 120° zur Messung der drei Lichtintensitäten I₁ bis I₃ verwendet und nur noch Linearität, Null- und Maximal-Intensität vorausgesetzt werden, wobei der Senarmontwinkel ε eindeutig aus den Beziehungen ε° = (90°/n)·arctg b/a + 45°(1 + a/|a|) in Winkelgraden oder ε = 0,5·arctg b/a + n/4·(1 + a/|a|) im Bogenmaß, a = I₁ – 0,5·(I₂ + I₃) und b = 0,866·(I₂ – I₃) sowie N = (1/180°)·(ε₁°·λ₁ – ε₂°·λ₂)/(λ₂ – λ₁) berechnet und die Gangunterschiede R_λ1 = (ε°/180° + N)·λ₁ R_λ2 = (ε/π + N)·λ₂ angegeben werden.
Bei wiederholt gleicher optischer Ordnung (N+1) wird die Richtigkeit der Messergebnisse akzeptiert und das Mess-Verfahren abgeschlossen, während im umgekehrten Fall die Hilfswellenlänge λ₂ der Messwellenlänge λ₁ weiter angennähert und dieser Vorgang solange wiederholt wird, bis für beide Wellenlängen wiederholt die gleiche optische Ordnung (N+1) auftritt.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in ausgewählten Fällen die Monochromatisierung der Mess- und Hilfswellenlänge, erzeugt mit der Vorrichtung zur Wellenlängenänderung, nur einmal unmittelbar vor den Fotoempfängern erfolgt.
Vorrichtung zur automatischen, berührungslosen und schnellen Messung hoher Gangunterschiede von durchsichtigen und optisch doppelbrechenden Medien nach Senarmont im on-line-Betrieb mit simultaner diskreter Fourier-Analyse (DFA), insbesondere von Fasern, Filamenten, Folien und Flächengebilden, die im weißen Licht auch Falschfarben zeigen können, gekennzeichnet dadurch, dass für den Strahlengang der Hilfswellenlänge sowohl vor dem Polarisator als auch nach dem Analysator-Array eine Vorrichtung zur Wellenlängenänderung in Form eines Prismas, optischen Gitters oder drehbaren Metallinterferenzfilters eingeführt wird, mit dem die Hilfswellenlänge geändert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Hilfswellenlänge diskret durch entsprechendes Zuschalten aus einem Satz fest installierter monochromatischer Lichtquellen erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Hilfswellenlänge diskret durch Auswahl mit einem schmalbandigen, wellenlängenselektiven Filter im Detektionsstrahlengang aus einem breiten Beleuchtungsspektrum erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei bekannter Ordnung (N+1) ein Detektionskanal verwendet wird, bei dem hinter dem λ/4-Plättchen ein Diffusor und das Analysator- oder Polarisationsfilter-Array angeordnet sind und dass mit einer Optik die drei Lichtintensitäten verschiedener Polarisationsrichtung auf eine CCD-Zeile oder einen CCD-Flächenchip abgebildet und mittels elektronischer Bildverarbeitung (EBV) ausgewertet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei bekannter Ordnung (N+1) ein Detektionskanal verwendet wird, bei dem hinter dem λ/4-Plättchen ein Diffusor und das Analysator- oder Polarisationsfilter-Array angeordnet sind und dass mit einer Optik die drei Lichtintensitäten verschiedener Polarisationsrichtung nach dem Analysator- oder Polarisationsfilter-Array direkt über Fotodetektoren (Fotodioden, Fotoelemente, Fotowiderstände) und Verstärkung zwecks Auswertung zum Computer geleitet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertaufnehmer, o.g. Messplatte, keinerlei aktive Elektronik enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Einspeisung des Messlichtes in den Messwertaufnehmer, o.g. Messplatte, und die Weiterleitung des detektierten Lichtes zu den Fotodetektoren mittels Lichtwellenleitern erfolgt und dadurch der Messwertaufnehmer, o.g. Messplatte, galvanisch entkoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Polarisationsfilterarray als Metallstreifengitter mit Subwellenlängenperiode ausgeführt ist.